基于OBE理念的物理化学实验教学的改革与实践
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摘要：物理化学实验对化学化工类专业工程技术型人才的培养非常重要。为了满足OBE工程教育背景下人才培养的需要，通过改进实验，引入项目负责制、混合式教学模式、小班教学和“成果导向、学生中心、持续改进”的育人理念，完善考核制度和课程评价机制，实现了“学生中心”的教学转变。这种教学模式，发挥了学生的主观能动性，提高了学生的工程意识和创新能力，能够有效促进工程技术型人才的培养。
关键词：物理化学实验;教学改革;工程教育;学生中心;达成度
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）49-0087-03
教育部在“新世纪教改工程”中强调人才培养的宗旨是注重学生综合素质的提高，培养学生的创新意识和实验能力。[1]强化实验教学内涵建设，是提高学生综合素质的重要环节。[2]物理化学实验是利用物理和化学的技术手段表征体系的性质，揭示物理、化学现象和化学反应所遵循规律的科学。物理化学实验教学是物理化学教学的重要组成部分，是教学向科学研究实践过渡的重要阶段，在化工、应化等专业人才培养中占有重要地位。因此，做好物理化学实验教学，具有重要意义。[3，4]
目前，物理化学实验教学不能很好满足新形势下人才培养的需要，[5，6]这就需要引入新的教学理论，变革教学模式。2013年，我国成为《华盛顿协议》的成员，开启了我国工程教育的新篇章。工程教育遵循成果导向、学生中心、持续改进的教育理念。成果导向教育（Outcome based education，OBE）理念引导工程教育改革，具有现实意义。[7]OBE理念遵循反向设计、正向实施的原则。反向设计是从需求开始，由需求决定培养目标，由培养目标决定毕业要求，由毕业要求决定课程体系。我校化工专业2015年通过工程教育专业认证，2018年化工和环境工程专业接受了现场考察和评估。借助实践成果导向的教育理念，物理化学实验教学在学生能力的培养方面取得了良好的效果。
一、物理化学实验传统教学模式的不足
经过对国内外物理化学实验教学的调研分析，结合我校学生对物理化学实验教学的反馈意见，改革前的物理化学实验教学存在的主要不足如下。
1.课程目标和毕业要求认识不到位。传统实验教学的教学模式和教学手段单一，教师对课程目标和能力要求强调不够，学生理解不好，导致学生在实验过程中目标不明确，没能很好进行独立思考，导致最终实验教学效果不能很好地达成教学目标。
2.实验教学内容更新不足。教学内容主要针对物理化学的基本原理和性质规律开展验证。这些实验虽然能加深学生对概念、原理的理解，但是没有很好实现学生能力的培养，也不能适应当前不同学科发展的需要和新工科的建设要求。
3.实验教学与能力培养连贯性不足。以前，实验教学以掌握仪器的使用、实验步骤、实验报告为主。这种教学模式没有很好地体现学生中心的教育理念，学生在实验中缺乏主动性，没有针对实验中出现的问题展开研讨，不利于培养学生独立思考、分析和解决问题的能力。实际生产和科学研究中，意外问题经常发生，而这些问题的解决需要有敏锐的捕捉能力和探索精神。这就导致学生在新环境中需要转变思维方式和学习方法。
4.教学方法和考核机制单一。改革前，物理化学实验教学中缺乏师生间的沟通和讨论。课程考核以实验报告和期末考试为主，缺乏对学习过程的监控和考核，这就造成学生只关注结果，不关注知识的获取过程，忽略发现问题、提出问题、分析问题和解决问题等能力的培养。
二、基于OBE理念的物理化学实验教学
（一）物理化学实验课程的教学目标
培养目标是对毕业生在毕业后5年左右能够达到的职业和专业成就的总体描述，是人才培养的总纲，是构建专业知识、能力、素质结构，形成课程体系和开展教学活动的基本依据。毕业要求是对学生毕业时所应掌握的知识和能力的具体描述。培养目标是确定毕业要求的依据，毕业要求是达成培养目标的支撑。基于此，《物理化学实验》课程的目标为：通过课程的学习，具备初步的实验方案设计能力，能够根据实验方案搭建实验装置、实施实验研究、采集实验数据，选用恰当的数据处理方法进行分析，得到有效结论，并能够撰写科技报告。
（二）物理化学实验教学内容的优化
为了实现课程目标、达到毕业要求，并与国际科技发展前沿动态融合，物理化学实验教学在教学内容上需要不断更新。
一方面，改进经典实验。经典的物理化学实验是对物理化学知识的重构，帮助学生建立理论联系实际的桥梁。在教学过程中，学生不仅要熟悉实验程序，更重要的是巩固基础理论，重构物理化学知识体系，内化为自己的能力。这样，教师在教学过程中要引导学生了解和掌握发现问题、分析问题和解决问题的方法，培养获取知识的能力。[8]因此，对经典实验进行改进，使之具有一定的未知性和挑战性是必要的。[9，10]根据我校实际情况，我们改进了部分实验，提升了实验的挑战性。如燃烧热的测定实验，教材上要求测定固体物质的燃烧热，改革后要求学生根据这个原理设计相关实验，测试未知液体试样的热值，使实验接近生产和生活實际，培养学生的探索精神、实验方案设计能力和分析解决问题的能力。
另一方面，引入科研前沿成果，展现学校的能源特色。学生既感兴趣，又充满好奇心，为实验教学注入新的生命活力。如动力学实验中，引入燃料电池和电池催化剂的制备与活性评价。对于改进后难以在实验室完成的，则设置为课后延伸作业，要求学生查阅资料，完成方案设计。教学实践发现，这是一种培养学生创新能力的有效方法。
（三）物理化学实验教学模式的改革与实践
为了实现课程目标，物理化学实验教学除了更新教学内容外，教学模式也要适应新形势的要求。
1.“学生中心”的项目负责制。项目负责制有利于教师更好地掌握学生状态，促进教学过程的持续改进。教学团队负责项目设置、过程监控、效果评价和持续改进方案的制订。每个实验项目最少由两名教师共同负责，包含实验准备、实验过程指导、目标达成情况评价、项目质量报告和持续改进方法。为了更好地进行教学管理，学校引进实验教学系统。教师公布实验和开课时间后，学生自主选择上课时间和实验项目。选定后，学生须按时完成实验和实验报告。教师在指定时间内完成实验项目的分析总结，提出改进意见，最后提交教学团队讨论，形成成果导向的良性循环，充分体现“学生中心”的教育理念。 2.线上线下结合，充分预习。教学团队针对学校物理化学实验开设情况编写实验教材和实验报告册，方便学生有针对性地开展预习，并完成实验报告的预习部分。同时，为了实现学生能够随时随开展学习，强化学生中心、终身学习习惯的培养，教学团队建设了资源共享课程。教师将负责的实验项目的安全环保注意事项、实验目标和能力训练要求、主要仪器操作和注意事项等制作成课件、视频、教案、题库等，上传到课程平台。学生通过观看视频、教案、课件完成实验的预习。为了检测学生预习情况，学生完成预习以后，必须完成检测题，得分高于70分的学生允许进入实验室，低于70分的学生要再次学习，直到达到预习要求方能进入实验室。这种模式弱化了知识性的灌输，强化了学生的自主学习，有利于自学能力和终身学习习惯的培养。
3.小班教学，充分交流。小班教学有利于教学理念的贯彻、教育手段的执行、师生交流和知识的更好建构。自2013年，物理化学实验坚持小班教学，每轮实验人数不高于20人，每个小组最多两人，保证每位学生均能进行有效的实验操作，组内能够有效交流。实验中，两位学生分工协作，互换角色，遇到问题，及时与同学、教师讨论，培养提出问题、分析问题、展开讨论并解决问题的习惯，实践知识的建构。教师一边指导实验，一边对学生的实验过程进行评价。实验结束后，学生集中讨论，交流心得，小组代表阐述对实验的认识。然后，教师进行点评，分析如何由实验原理设计相应的实验方案、实验成功的关键、失败的原因、改进方法。对于没有达到实验要求、达成实验目标的学生，要求重新进行实验。
4.效果评价与持续改进。效果评价是督促学生学习的一个有效手段，是实验教学的重要环节。OBE的教学评价聚焦在学习成果上，采用多元和梯次的评价标准，评价强调达成学习成果的内涵和个人的学习进步。效果评价要求强化各教学环节的能力考核，弱化结果，加大过程比重，将考核分为过程成绩（50%）和期末成绩（50%）。其中，过程成绩包括预习（20%）+操作（20%）+实验报告（30%）+安全环保意识（10%）+团队协作与交流（20%）;期末成绩包含操作考试（60%）和笔试（40%）两部分。预习成绩主要考核学生的自学能力、文献查阅能力和对实验方案的设计能力。操作成绩考核仪器操作技能与规范程度和实验中的观察能力、数据记录的规范性以及提出问题、分析问题、解决问题的能力和突发状况的解决能力。实验报告主要考核学生对实验结果的表达能力，分析、总结得出结论的能力和规范性。安全环保意识成绩只要考核学生对用电、化学试剂、气瓶等的使用和处理的规范性。团队协作与交流成绩主要考核学生实验过程中是否展开独立思考，考核提出问题、协同分析问题、解决问题的能力。考试主要考核学生对课程目标的实现程度。
课程结束后，按照工程教育专业认证要求，形成课程质量评价报告，从而调整持续改进措施。
三、结束语
在工程教育认证背景下，针对物理化学实验教学中存在的问题，按照OBE的教育理念，进行了改革尝试。将项目负责制、混合式教学模式、小班教学与“成果导向、学生中心、持续改进”的育人理念相结合，实现了从重结果到重过程的评价机制转变，取得了较好的效果。这种教学模式能够充分发挥学生的主观能动性，促进终身学习习惯的养成，实现“学为中心”的教学转变。这不仅使学生对物理化学实验的知识掌握更加深刻，而且为学生解决实际问题、建构知识体系提供了一种实践模式。
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